仿生多自由度假肢的研究與應用

雖然沒有明確定義模仿智能假肢的具體定義，但具體評價指標也隨著假肢技術的進步而不斷提高。實際上,假肢本身就是一種仿生的機械/機電產品,冠以仿生是強調其性能比目前常見假肢更接近于真實肢體,冠以智能是強調其具有主動適應外部條件變化的能力。總的來看,目前假肢仿生和智能水平都還是非常初級的。隨著機械、電子、信息等技術的飛速發展,能夠主動伸膝的動力膝關節、運動靈活精巧的多指多自由度假手等高性能仿生智能假肢不斷推向市場,植入式骨整合假肢也日臻完善。本文結合清華大學承擔的相關項目,介紹有關仿生智能假肢的研究與進展、典型產品及其發展趨勢。1溫度調節裝置的研究假手是上肢假肢末端執行器,目前市場上大量供應的假手手部只有張合一個自由度,指關節也不能活動。隨著機器人靈巧手集成化程度越來越高,英國、德國、中國、美國、意大利等國家開始利用機器人靈巧手技術開發供截肢者使用的多指多自由假手。圖1是德國宇航中心和哈爾濱工業大學聯合開發的4個手指12個自由度的DLR/HIT靈巧手,其所有機械和電子零部件都集成在手掌或手指之中,是目前集成度最高的機器人靈巧手,該靈巧手榮獲2007年歐盟機器人技術轉化一等獎。我國自然科學基金委員會于2005年設立了一項重點基金,資助哈爾濱工業大學(機電和語音控制系統)、清華大學(肌電控制系統)和東北大學(腦電控制系統)聯合研制多指多自由度仿生假手。多指多自由度仿生假手研究的難點在于:(1)如何將多指多自由度機電系統布置在不大于正常人手的空間內,而且重量也不能超過人手的重量;(2)如何使截肢者能夠簡單、方便、準確地操控多個自由度,充分發揮多指多自由的作用。圖2所示樣機的拇指、食指和其它3個手指各采用一個電機控制,有13個活動關節;手指采用了欠驅動的四桿機構,觸到物體時,手指中間的關節會自動屈曲,自適應抓握物體。采用欠驅動機構在保證假手具有足夠的靈活性的同時,大大減少了電機及其傳動系統,減輕了整體重量和截肢者操控的難度。該樣機體積188mm×86mm×28mm,重量500kg,與正常人手的體積和重量大體相當。常見的肌電假手,通常都是利用一對拮抗肌表面的肌電信號來控制一個電機正反轉實現假手張合運動的。圖2樣機采用三個電機,而在殘肢表面很難找到三對信號相互之間沒有耦合的拮抗肌,為了研究如何利用較少通道的肌電信號控制較多的電機,清華大學開發了肌電信號分析與識別方法的專用實驗平臺(圖3),利用該平臺可以對不同肌電特征提取方法及分類器進行對比研究,也可以用選定的特征提取方法和訓練好的分類器直接操控假手,實現多自由度假手的肌電信號模式控制。圖4是英國TouchBionics最近推出的i-limb多指多自由度假手:5個手指分別有1個電機驅動;每個手指有2個關節,這兩個關節不能獨立運動,是耦合的;是5自由度10關節的肌電控制假手,也是第一個推向市場的多指多自由度仿生假手。2智能膝關節的特性假肢膝關節在行走過程中不僅起到支撐體重的作用,而且其性能對改善假肢使用者的步態起著決定性的作用。理想的智能假肢膝關節應該具有如下特性:(2)在一定角度下可以提供足夠的阻尼力矩,使得假肢能交替地下樓梯;(3)在一定角度下可以提供伸膝力矩,使得假肢交替地上樓梯。目前所有智能膝關節都具有第一個特性,只有C-LEG、RheoKnee和PowerKnee具有第二個特性,其中PowerKnee動力膝關節還具有第三個特性。智能假肢膝關節由于技術含量比較高,所以價格比較昂貴,如圖5所示的PowerKnee動力膝關節價格就超過60萬元,C-LEG和RheoKnee也在30萬元左右。國內外從事智能膝關節研究機構比較多,RheoKnee就是由美國麻省理工學院發明的,我國的清華大學、河北工業大學、國家康復輔具研究中心、東北大學、中南大學等高校和科研機構也開展此類研究工作。近年來,我國對智能假肢膝關節的發展也比較重視,“十一五”國家科技支撐計劃重點項目“殘障人生活保障輔具研究”中設立了智能下肢假肢研制課題,該課題由河北工業大學、清華大學和國家康復輔具研究中心聯合承擔,目標是推出具有我國自主知識產權的智能假肢膝關節,使膝上截肢者能夠安裝價格低廉、性能優良的智能下肢假肢。3植入式骨整合假地的安全保護裝置和技術植入式骨整合假肢借鑒種植牙和人工關節植入技術,通過植入殘端骨內腔的植入體伸出體外部分,直接將假肢連接在人體上(圖6)。它沒有傳統假肢用于傳遞運動和動力的接受腔,直接通過植入體將力傳于主干骨,符合人體生物力學規律。這種假肢從根本上解決了傳統假肢因接受腔-殘肢介面環境透氣性差,活動范圍受限,因摩擦引起殘肢感染,以及殘肢過短不能安裝假肢的限制等問題。植入式骨整合假肢關鍵的技術問題在于如何實現經皮密封和如何防止基樁彎曲斷裂的問題。我國863高技術發展計劃在十五期間支持四川大學和清華大學聯合開展“生物活性經皮骨植入材料和植入式智能假肢研究”。在基樁表面處理技術及其安全保護裝置方面取得了很大進展,但是由于種種原因,只開展了動物實驗,沒有進行臨床患者實驗。不僅植入式骨整合假肢在安裝過程中需要進行外科手術,美國西北大學研制的“意識控制的智能手臂”還需要先進行神經外科手術,把控制手臂運動的神經遷移到胸肌上,由胸肌處的表面電極提取截肢者大腦發出的控制手臂運動的肌電信號,用這個信號來控制肩膀、肘部、手腕或手指的電機,使其完成相應的動作(圖7)。這種“意識控制的智能手臂”與傳統的肌電假肢的原理是一樣的,其優點是可以給肩部殘端很短的患者安裝類似肌電信號進行仿生控制的假肢。盡管植入式骨整合假肢和意識控制的智能手臂在舒適性等方面比傳統假肢有很大提高,但是由于需要進行外科手術,增加了風險,因此很多國家及截肢者對這種有創技術的推廣,甚至進行人體實驗都比較慎重,這也是這類技術至今沒有大范圍應用的主要原因。4假證系統的特殊性假肢技術需要關注的主要方面有:(1)運動仿生和控制仿生始終是假肢研究的核心問題。前者是使假肢具有自然肢體的運動能力,后者是使假肢系統的動作能隨心所欲。目前機器人技術、生物信息、信息科學、生物材料、微型技術、顯微外科、等多種領域中的新技術進展為假肢技術進一步發展創造了條件。但是應用于人體的假肢系統有其特殊性。例如對于靈巧手的研究成果很多,但用到假肢上,必須解決人體控制信息與假手的交互問題,才能實現對多自由度隨心所欲的控制。又如關于步行機器人的研究成果也很豐富,但用于動力假肢系統,必須要有力矩大、重量輕、效率高的新型驅動器,以滿足上坡、上樓梯的要求。(2)先進的假肢系統需要與人組成一體,才能發揮作用。由于個體的差異性,假肢與人的協調和適配也是實現各種功能的關鍵所在。這是假肢裝配需要完成的任務。目前在假肢裝配中比較多的依靠經驗。實現科學地從對人體功能狀態評估到適